成膜方法、成膜装置及び記憶媒体
【課題】エッチング処理を組み合わせることにより、半球状の結晶粒のサイズを小さく制御することが可能な成膜方法を提供する。
【解決手段】被処理体Ｗの表面に薄膜を形成する成膜方法において、成膜ガスにより前記被処理体の表面に結晶核９２を形成して該結晶核９２を成長させることにより半球状の結晶粒６が表面に形成された結晶粒薄膜９４を形成する結晶粒薄膜形成工程と、前記結晶粒薄膜９４の表面を酸化することにより酸化膜９６を形成する酸化膜形成工程と、前記酸化膜９６をエッチングにより除去するエッチング工程と、を有する。このように、エッチング処理を組み合わせることにより、ＨＳＧシリコン結晶粒における半球状の結晶粒６のサイズを小さく制御する。
【解決手段】被処理体Ｗの表面に薄膜を形成する成膜方法において、成膜ガスにより前記被処理体の表面に結晶核９２を形成して該結晶核９２を成長させることにより半球状の結晶粒６が表面に形成された結晶粒薄膜９４を形成する結晶粒薄膜形成工程と、前記結晶粒薄膜９４の表面を酸化することにより酸化膜９６を形成する酸化膜形成工程と、前記酸化膜９６をエッチングにより除去するエッチング工程と、を有する。このように、エッチング処理を組み合わせることにより、ＨＳＧシリコン結晶粒における半球状の結晶粒６のサイズを小さく制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウエハ等に薄膜を形成する成膜方法、成膜装置及び記憶媒体に係り、特にキャパシタの電極の形成時に用いるのに適する成膜方法、成膜装置及び記憶媒体に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ＩＣ等の半導体集積回路を形成するためには、半導体ウエハやガラス基板等の表面に、成膜処理、エッチング処理、熱拡散処理、酸化処理等を多数回繰り返し行なうことによって所望のトランジスタ素子、抵抗素子、キャパシタ等を高密度に集積形成するようになっている。
近年、特に、半導体装置の高集積化にともなって、各素子自体の微細化も一層進む傾向にある。例えばＤＲＡＭ等の記憶装置にあっては各セルの占有面積は微細化傾向によって益々小さくなるが、十分な容量値を確保するためには、占有面積が小さくなってもキャパシタ電極間の絶縁層の厚さを薄くしたり、もしくはこの誘電体の比誘電率を大きくすればよいが、この絶縁層の厚さを薄くすると絶縁性が劣化し、また、材質を高誘電体とするにも種々の技術的な問題があるのが現状である。
【０００３】
そこで、キャパシタの電極表面に、表面が微細に凹凸形状になされたポリシリコン膜を形成して微細な占有面積でも容量値に寄与する実質的な表面積を２〜３倍に増加させることが行なわれている。この表面凹凸形状のポリシリコン膜を形成するためには、例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３等に開示されているように、シリコン膜の表面に凹凸形状のＨＳＧ（Ｈｅｍｉｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ｇｒａｉｎｅｄ）ポリシリコン膜を形成する方法が知られている。
【０００４】
この点について、図７を参照して具体的に説明する。図７はキャパシタの電極表面に半球状の結晶粒を形成する方法の一例を示す図である。図７（Ａ）に示すように、被処理体としての半導体ウエハＷは例えばシリコン基板よりなり、この半導体ウエハＷの表面に層間絶縁膜２を貫通させてキャパシタの例えば下部電極４が形成されている。この下部電極４は、例えばリンがドープされたポリシリコンよりなり、円筒リング状に成形されて、いわゆるスタックキャパシタを製造できるようになっている。この下部電極４は、図示されないがウエハＷに形成されているソース等に電気的に接続されている。
【０００５】
そして、表面構造が図７（Ａ）に示すようになっている半導体ウエハＷの表面に、モノシラン等のシラン系ガスを作用させることによってシリコンのアモルファス膜を形成すると共に、この表面にシリコン結晶核を形成し、このシリコン結晶核をマイグレーションによって成長させることにより、図７（Ｂ）に示すように、半球状の結晶粒６、いわゆるＨＳＧ（Ｈｅｍｉｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ｇｒａｉｎｅｄ）結晶粒が形成される。このように下部電極４の表面に、上記したような半球状の結晶粒６を高密度で、多数形成させることによって、微少な専有空間であっても表面積が著しく増大し、結果的にキャパシタの容量を大きくすることができる。尚、キャパシタを形成するには、この下部電極４上にキャパシタ絶縁膜を形成し、更に上部電極を形成するが、図７中ではその記載を省略している。
【０００６】
【特許文献１】特開平５−３０４２７３号公報
【特許文献２】特開平７−２２１０３４号公報
【特許文献３】特開２００２−２２２８７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述のようにキャパシタの電極にＨＳＧによる結晶粒６を用いることにより、一定の専有空間に対するキャパシタの容量を従来のキャパシタに対して２〜３倍程度に拡大することができる。
ところで、この時に形成される半球状の結晶粒６の直径Ｄ１は核密度とシリコン膜の堆積量とで決まり、一般的な直径Ｄ１の大きさは５０ｎｍ程度である。この場合、後述のように微細化の要請によるデザインルールのスケールがそれ程厳しくない場合には、特に問題はなかったが、更なる微細化の要請によりデザインルールのスケールがより微細化されてくると、上記結晶粒６の直径Ｄ１が５０ｎｍ程度では、大き過ぎてしまう。例えば更なる微細化の要請により、上記下部電極４のリング状部分の直径Ｈ１を例えば１００ｎｍ程度に設定した場合、或いは結晶粒６の配置密度を高くした場合には、結晶粒６の直径Ｄ１が大き過ぎてしまい、この結果、後工程における容量絶縁膜のステップカバレジ不良や下部電極間同士のショート等が発生し、適正なキャパシタを作成できなくなってしまう、という問題があった。
【０００８】
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、エッチング処理を組み合わせることにより、半球状の結晶粒のサイズを小さく制御することが可能な成膜方法、成膜装置及び記憶媒体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に係る発明は、被処理体の表面に薄膜を形成する成膜方法において、成膜ガスにより前記被処理体の表面に結晶核を形成して該結晶核を成長させることにより半球状の結晶粒が表面に形成された結晶粒薄膜を形成する結晶粒薄膜形成工程と、前記結晶粒薄膜の表面を酸化することにより酸化膜を形成する酸化膜形成工程と、前記酸化膜をエッチングにより除去するエッチング工程と、を有することを特徴とする成膜方法である。
このように、被処理体の表面に形成された半球状の結晶粒の表面を酸化して酸化膜を形成し、この酸化膜をエッチングにより除去することにより、半球状の結晶粒のサイズを小さく制御することができる。従って、半導体回路素子のデザインルールのスケールが更に厳しくなって小さくなっても、例えば容量絶縁膜のステップカバレジを向上させることができるのみならず、下部電極同士のショート等の発生も抑制することができる。
【００１０】
この場合、例えば請求項２に規定するように、前記結晶粒薄膜形成工程、酸化膜形成工程及びエッチング工程は、全て同一の処理容器内で行われる。
或いは例えば請求項３に規定するように、前記結晶粒薄膜形成工程、酸化膜形成工程及びエッチング工程の内、少なくとも２つの工程は、異なる処理容器内で行われる。
また例えば請求項４に規定するように、前記エッチング工程は、フッ化水素（ＨＦ）ガスを用いたドライエッチングを行う。
また例えば請求項５に規定するように、前記エッチング工程は、フッ化水素水（ＤＨＦ）を用いたウェットエッチングを行う。
また例えば請求項６に規定するように、前記結晶粒薄膜には、不純物がドープされている。
【００１１】
また例えば請求項７に規定するように、前記不純物は、前記結晶粒薄膜形成工程と前記酸化膜形成工程との間でドープされる。
また例えば請求項８に規定するように、前記不純物は、前記結晶粒薄膜形成工程の時にドープされる。
また例えば請求項９に規定するように、前記結晶粒薄膜は、薄膜本体がアモルファスのシリコン膜よりなり、結晶粒が多結晶シリコンよりなる。
【００１２】
請求項１０に係る発明は、真空引き可能になされて被処理体を収容することができる処理容器と、前記被処理体を支持する保持手段と、成膜ガスを供給する成膜ガス供給手段と、酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給手段と、エッチングガスを供給するエッチングガス供給手段と、前記被処理体を加熱する加熱手段と、装置全体を制御する制御手段と、を有する成膜装置において、前記制御手段は、前記成膜ガスにより前記被処理体の表面に結晶核を形成して該結晶核を成長させることにより半球状の結晶粒が表面に形成された結晶粒薄膜を形成し、次に、前記結晶粒薄膜の表面を酸化することにより酸化膜を形成し、その後、前記酸化膜をエッチングにより除去するように制御することを特徴とする成膜装置である。
【００１３】
請求項１１に係る発明は、真空引き可能になされて被処理体を収容することができる処理容器と、前記被処理体を支持する保持手段と、成膜ガスを供給する成膜ガス供給手段と、酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給手段と、エッチングガスを供給するエッチングガス供給手段と、前記被処理体を加熱する加熱手段と、装置全体を制御する制御手段と、を有する成膜装置を用いて被処理体の表面に成膜処理を施すに際して、前記成膜ガスにより前記被処理体の表面に結晶核を形成して該結晶核を成長させることにより半球状の結晶粒が表面に形成された結晶粒薄膜を形成し、次に、前記結晶粒薄膜の表面を酸化することにより酸化膜を形成し、その後、前記酸化膜をエッチングにより除去するように前記成膜装置を制御するプログラムを記憶することを特徴とする記憶媒体である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る成膜方法、成膜装置及び記憶媒体によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
被処理体の表面に形成された半球状の結晶粒の表面を酸化して酸化膜を形成し、この酸化膜をエッチングにより除去することにより、半球状の結晶粒のサイズを小さく制御することができる。従って、半導体回路素子のデザインルールのスケールが更に厳しくなって小さくなっても、例えば容量絶縁膜のステップカバレジを向上させることができるのみならず、下部電極同士のショート等の発生も抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、本発明に係る成膜方法、成膜装置及び記憶媒体の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明方法を実施するための成膜装置を示す構成図、図２は本発明方法の第１実施例の流れを示すタイムチャート、図３は本発明方法で形成される半球状の結晶粒の形成と形状変化を示す模式図である。
【００１６】
この成膜装置では、結晶粒薄膜形成工程、酸化膜形成工程及びエッチング工程の全ての工程を連続的に実施できる装置例について説明する。図示するように、この成膜装置２０は下端が開放されて上下方向に所定の長さを有して円筒体状になされた縦型の処理容器２２を有している。この処理容器２２は、例えば耐熱性の高い石英を用いることができる。この処理容器２２の下方より複数枚の被処理体としての半導体ウエハＷを複数段に亘って所定のピッチで載置した保持手段としてのウエハボート２４が昇降可能に挿脱自在になされている。このウエハボート２４は例えば石英よりなり、これには、例えば５０〜１００枚程度の直径が３００ｍｍのウエハＷを略等ピッチで多段に支持できるようになっている。
【００１７】
またウエハボート２４の挿入時には、上記処理容器２２の下端の開口部は、例えば石英やステンレス板よりなる蓋部２６により塞がれて密閉される。この際、処理容器２２の下端部と蓋部２６との間には、気密性を維持するために例えばＯリング等のシール部材２８が介在される。このウエハボート２４は、石英製の保温筒３０を介してテーブル３２上に載置されており、このテーブル３２は、処理容器２２の下端開口部を開閉する蓋部２６を貫通する回転軸３４の上端部に支持される。そして、この回転軸３４の貫通部には、例えば磁性流体シール３６が介設され、この回転軸３４を気密にシールしつつ回転可能に支持している。上記した回転軸３４は、例えばボートエレベータ等の昇降機構３８に支持されたアーム４０の先端に取り付けられており、ウエハボート２４及び蓋部２６等を一体的に昇降できるようになされている。尚、上記テーブル３２を上記蓋部２６側へ固定して設け、ウエハボート２４を回転させることなくウエハＷの処理を行うようにしてもよい。
【００１８】
上記処理容器２２の側部には、これを取り囲むようにしてた例えばカーボンワイヤ製のヒータよりなる加熱手段４２が設けられており、この内側に位置する処理容器２２及びこの中の上記半導体ウエハＷを加熱し得るようになっている。またこの加熱手段４２の外周には、断熱材４４が設けられており、この熱的安定性を確保するようになっている。また上記処理容器２２の下部には、この側壁を気密に貫通させて例えば石英よりなる第１、第２、第３及び第４のガスノズル４６、４８、５０、５２がそれぞれ設けられている。また、上記処理容器２２の天井部には、横方向へＬ字状に屈曲させた排気口５４が設けられる。
【００１９】
そして、上記第１のガスノズル４６に成膜ガスを供給する成膜ガス供給手段６０が接続され、上記第２のガスノズル４８には酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給手段６２が接続される。また上記第３のガスノズル５０にはエッチングガスを供給するエッチングガス供給手段６４が接続され、上記第４のガスノズル５２には不活性ガスとして例えばＮ２ ガスを供給する不活性ガス供給手段６６が接続される。
【００２０】
尚、上記不活性ガスとしてＡｒやＨｅ等を用いてもよい。具体的には、上記成膜ガス供給手段６０、酸化性ガス供給手段６２、エッチングガス供給手段６４及び不活性ガス供給手段６６の各ガス通路６０Ａ、６２Ａ、６４Ａ、６６Ａは、それぞれ上記第１、第２、第３及び第４のガスノズル４６、４８、５０、５２へ接続されると共に、各ガス通路６０Ａ、６２Ａ、６４Ａ、６６Ａには、マスフローコントローラのような流量制御器６０Ｂ、６２Ｂ、６４Ｂ、６６Ｂ及び開閉弁６０Ｃ、６２Ｃ、６４Ｃ、６６Ｃがそれぞれ順次介設されており、必要に応じて上記各ガスを流量制御しつつ供給できるようになっている。ここでは上記成膜ガスとしてＳｉ含有ガス、例えばＳｉＨ４ （モノシラン）が用いられ、酸化性ガスとしてはＯ２ が用いられ、エッチングガスとしてはＳｉＯ２ 膜を選択的に削ることができるＨＦガスが用いられている。
【００２１】
また上記排気口５４には、処理容器２２内を真空引きする真空排気系７０が接続されている。具体的には、上記真空排気系７０のガス通路７０Ａには、開閉弁７０Ｂ、バタフライ弁のような圧力制御弁７０Ｃ及び真空ポンプ７０Ｄがそれぞれ順次介設されている。そして、この装置全体の動作は、例えばマイクロコンピュータ等よりなる制御手段８０により制御される。そして、この制御手段８０は、この装置全体の動作を制御するためのプログラムを記憶するための例えばフロッピディスクやフラッシュメモリ等よりなる記憶媒体９８を有している。
【００２２】
次に、以上のように構成された成膜装置２０を用いて連続的に行なわれる本発明方法の第１実施例について図２及び図３も参照して説明する。上述したように、以下に説明する各実施例の動作は、上記記憶媒体９８に記憶されたプログラムに基づいて行われる。
まず、全体の流れについて説明すると、ウエハＷの表面は、既に前工程で図７（Ａ）に示すような形状になされている。例えばシリコン基板よりなる半導体ウエハＷの表面には、円筒リング状に形成されて、いわゆるスタックキャパシタを製造できるようになっている下部電極４（リンドープアモルファスシリコン）が多数配列されている。
【００２３】
このようなウエハＷがアンロード状態で成膜装置２０が待機状態の時には、処理容器２２はプロセス温度より低い温度に維持されており、常温の多数枚、例えば５０枚のウエハＷが載置された状態のウエハボート２４をホットウォール状態になされた処理容器２２内にその下方より上昇させてロードし、蓋部２６で処理容器２２の下端開口部を閉じることにより処理容器２２内を密閉する。
【００２４】
そして、処理容器２２内を真空引きして所定のプロセス圧力に維持すると共に、加熱手段４２への供給電力を増大させることにより、ウエハ温度を上昇させて成膜処理用のプロセス温度まで昇温して安定させ、その後、図２に示すように、結晶粒薄膜形成工程、酸化膜形成工程及びエッチング工程を順次連続的に実行する。図２では温度及び圧力の変化の状態が示されている。この場合、上記各工程では、必要に応じて次のように各ガスが供給される。すなわち成膜ガス供給手段６０の接続される第１のガスノズル４６からはＳｉＨ４ ガスが供給され、酸化性ガス供給手段６２の接続される第２のガスノズル４８からはＯ２ ガスが供給され、エッチングガス供給手段６４の接続される第３のガスノズル５０からはＨＦガスが供給される。尚、必要に応じて不活性ガス供給手段６６の接続される第４のガスノズル５２からはＮ２ ガスが供給される。
【００２５】
＜結晶粒薄膜形成工程＞
まず結晶粒薄膜形成工程について説明する。
この結晶粒薄膜形成工程は、アモルファスＳｉ形成ステップ、核付けステップ及びＨＳＧ成長ステップの３ステップよりなり、先の２つのステップ、すなわちアモルファスＳｉ形成ステップ及び核付けステップにおいてＳｉＨ４ ガスを用いる。尚、前述のように必要に応じてＮ２ ガスも流す。
【００２６】
すなわち、ウエハＷを所定の温度に維持したならば、ＳｉＨ４ ガスの供給を開示し、ウエハＷの表面にアモルファスのシリコン膜を形成する。これにより、図３（Ａ）に示すように、例えばポリシリコン膜よりなる下部電極４の表面にアモルファスのシリコン膜９０が少しずつ形成されることになる。この時のＳｉＨ４ ガスの流量は、例えば５０〜４０００ｓｃｃｍの範囲内である。またこの時のプロセス温度は、例えば５００〜５５０℃の範囲内、プロセス圧力は０．１Ｔｏｒｒ（１３Ｐａ）〜５Ｔｏｒｒ（６６５Ｐａ）の範囲内である。
【００２７】
このようにして所定の時間に亘ってアモルファスのシリコン膜９０を形成したならば、ＳｉＨ４ ガスの供給は継続して行ってプロセス温度を僅かに上げると共に、プロセス圧力を僅かに下げることによって核付けステップへ移行する。この核付けステップにより、図３（Ｂ）に示すように、アモルファスのシリコン膜９０の上に多数のシリコンの結晶核９２が形成されることになる。この時のプロセス温度は５６０〜６８０℃の範囲内、プロセス圧力は０．００１〜１Ｔｏｒｒの範囲内である。
【００２８】
このようにして所定の時間に亘って核付けステップを行ったならば、次にプロセス温度を維持したまま、ＳｉＨ４ ガスの供給を停止し（Ｎ２ ガスを供給している場合にはＮ２ ガスの供給も停止）、すなわち全てのガスの供給を停止したまま真空引きを継続して行うことで（この状態をバキュームと称す）、ＨＳＧ成長ステップへ移行する。このように、バキュームを行うことにより、処理容器内の圧力が大幅に低下してシリコン原子のマイグレーションが発生し、上記結晶核９２の部分にアモルファスのシリコンが凝集してくる。これにより、図３（Ｃ）に示すように、各結晶核９２を中心として半球状の結晶粒６が大きく成長して全体として結晶粒薄膜９４が形成される。この場合、結晶粒６は多結晶シリコンよりなり、薄膜本体９０は先に説明したようにアモルファスのシリコン膜よりなっている。
【００２９】
そして、この時の結晶粒６の直径Ｄ１は、先に説明したように平均的には５０ｎｍ程度になっており、厳しいデザインルールのもとでは、かなり大き過ぎる値となっている。尚、この結晶粒薄膜形成工程における各プロセス条件は単に一例を示したに過ぎず、これに限定されない。このようにして所定の時間に亘ってＨＳＧ成長ステップを行ったならば、この結晶粒薄膜形成工程を終えて、次に酸化膜形成工程へ移行する。
【００３０】
＜酸化膜形成工程＞
次に酸化膜形成工程について説明する。
上記のように結晶粒薄膜形成工程が終了したならば、ＳｉＨ４ ガスの供給を停止して、バキューム処理を行ったり、真空引きを継続しつつＮ２ ガスの供給と供給の停止とを繰り返すサイクルパージを行ったりして、処理容器２２内の残留ガスを排除する。そして、プロセス温度を８００〜１０００℃程度まで上げて、且つＮ２ ガスを供給するなどしてプロセス圧力も大気圧程度まで上げる。そして、プロセス温度やプロセス圧力が安定したならば、酸化性ガスとしてＯ２ ガスの供給を開始する。これにより、先に形成された結晶粒６の表面や薄膜本体（シリコン膜）９０の表面が酸化されて、図３（Ｄ）に示すように、表面全体に薄い酸化膜（ＳｉＯ２ ）９６を形成する。この時のＯ２ ガスの流量は１００〜１００００ｓｃｃｍの範囲内である。またプロセス時間は、形成すべき酸化膜９６の膜厚にもよるが、例えば１〜１２０分程度の範囲内である。このようにして所定の時間に亘って酸化膜形成工程を行ったならば、次にエッチング工程へ移行する。
【００３１】
＜エッチング工程＞
次にエッチング工程について説明する。
上記のように、酸化膜形成工程が終了したならば、Ｏ２ ガスの供給を停止して、バキューム処理を行ったり、真空引きを継続しつつＮ２ ガスの供給と供給停止とを繰り返すサイクルパージを行ったりして、処理容器２２内の残留ガスを排除する。そして、プロセス温度を５０〜１５０℃程度の範囲内まで低下させると共に、プロセス圧力を１〜５００Ｔｏｒｒ程度まで低下させる。そして、プロセス温度及びプロセス圧力が安定したならば、ここでは酸化膜９６であるＳｉＯ２ を選択的に削ることができるエッチングガスとしてＨＦガスの供給を開始する。これにより、先に形成されたＳｉＯ２ 膜よりなる酸化膜９６が、ドライエッチングにより図３（Ｅ）に示すように全体的に削り取られることになり、結晶粒６の直径Ｄ１が小さくなる。
【００３２】
この時のＨＦガスの流量は、１００〜１００００ｓｃｃｍの範囲内であり、必要に応じてＮ２ ガスも流して希釈化する。このように、ＨＳＧ成長ステップによって形成した半球状の結晶粒６の表面全体を酸化して酸化膜９６を形成し、この酸化膜９６のみを選択的にエッチング処理により削り取ることにより、結晶粒６の直径Ｄ１を大幅に小さくすることができる。従って、半導体回路素子のデザインルールのスケールがより厳しくなって小さくなっても、例えば容量絶縁膜のステップカバレジを向上させることができるのみならず、下部電極同士のショート等の発生も抑制することができる。また、１つの成膜装置２０内で上記各工程の全てを行うことができるので、その分、スループットを向上でき、また設備コストも少なくて済む。
【００３３】
次に、本発明の第２実施例について説明する。
先に説明した第１実施例では、薄膜本体と結晶粒６とによりなる結晶粒薄膜９４（図３（Ｃ）参照）は、ノンドープのシリコンにより形成したが、これに限定されず、この結晶粒薄膜９４に不純物をドープ（注入）するようにしてもよい。図４は、このような本発明方法の第２実施例の流れを示すタイムチャートである。
【００３４】
図４に示すように、ここでは結晶粒薄膜形成工程と酸化膜形成工程との間で不純物を注入するためのドープ工程を行っている。このドープ工程では、不純物として例えばリン（Ｐ）を注入するためにＰＨ３ ガスを用いている。この時のプロセス温度は、例えば６００〜１０００℃の範囲内、プロセス圧力は、例えば１０〜５００Ｔｏｒｒの範囲内であるが、特に、このプロセス条件に限定されないのは勿論である。
またこのドープ工程に代えて、図２に示す第２実施例において、結晶粒薄膜形成工程（ＨＳＧ成長ステップは除く）の時に、ＳｉＨ４ ガスと共にＰＨ３ ガスを同時に供給するようにしてリンをドープさせるようにしてもよい。
【００３５】
また上記各実施例においては、１つの成膜装置２０内において、各工程を全て行うようにしたが、これに限定されず、各工程をそれぞれ異なる処理装置で行うようにしてもよいし、または結晶粒薄膜形成工程の他に、酸化膜形成工程とエッチング工程の内のいずれか一方を、この成膜装置２０で行うようにしてもよい。
また上記エッチング工程ではドライエッチング処理を行ったが、これに限定されず、ウェットエッチング処理を行うようにしてもよい。この場合には、例えばエッチング液としては、フッ化水素水（ＤＨＦ）を用いることができる。
【００３６】
ここで実際に、本発明方法を用いてシリコン膜の結晶粒を形成したので、その時の評価結果について説明する。ここでは、エッチング工程として、フッ化水素水（ＤＨＦ）を用いたウェットエッチング処理を行うことにより酸化膜を削り取った。図５はＨＳＧ結晶粒の形成直後の電子顕微鏡写真を示し、図６はＨＳＧ結晶粒の酸化及びエッチング後の電子顕微鏡写真を示す。図５及び図６に示す写真から明らかなように、図６に示す酸化及びエッチング後の結晶粒の大きさは明らかに小さくなっている。測定の結果、図５に示すＨＳＧ結晶粒の形成直後の場合には、結晶粒の大きさの平均は５０ｎｍ程度であったが、図６に示す本発明方法のエッチング処理を行った後の場合には、結晶粒の大きさの平均は３０ｎｍ程度であり、結晶粒の大きさを大幅に小さくできることが確認できた。
【００３７】
尚、ここではＳｉ含有ガスとしてＳｉＨ４ ガスを用いたが、これに限定されず、ジクロロシラン（ＤＣＳ）、モノシラン［ＳｉＨ４ ］、ジシラン［Ｓｉ２ Ｈ６ ］、ヘキサクロロジシラン［Ｓｉ２ Ｃｌ６ ］（ＨＣＤ）、ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）、テトラクロロシラン［ＳｉＨＣｌ３ ］（ＴＣＳ）、ジシリルアミン（ＤＳＡ）、トリシリルアミン（ＴＳＡ）、ビスターシャルブチルアミノシラン（ＢＴＢＡＳ）、［（ＣＨ３ ）３ ＳｉＨ］（Ｔｒｉｍｅｔｈｙｌ ｓｉｌａｎｅ）、［（ＣＨ３ ）３ ＳｉＮ３ ］（Ｔｒｉｍｅｔｈｙｌ ｓｉｌｙｌａｚｉｄｅ）、［ＳｉＦ４ ］、［ＳｉＣｌ３ Ｆ］、［ＳｉＩ４ ］、［Ｓｉ２ Ｆ６ ］よりなる群より選択される１以上のガスを用いることができる。
【００３８】
また、ここでは酸化性ガスとしてＯ２ ガスを用いたが、これに限定されず、Ｎ２ Ｏ、Ｈ２ Ｏ、Ｏ２ 、Ｏ３ 、Ｏ＊（活性種）、ＮＯ、ＮＯ２ 、ＣＯ２ 、ＣＯよりなる群から選択される１以上のガスを用いることができる。
また、酸化膜をエッチングするためにＨＦガス、或いはフッ化水素水を用いたが、ＳｉＯ２ 膜を選択的にエッチングできるのであれば、上記ＨＦガス、或いはフッ化水素水に限定されない。
また、バッチ式の処理容器に関しては、図１に示した単管構造に限定されず、いわゆる内筒と外筒とよりなる２重管構造の処理容器を有する成膜装置でも本発明を適用し得る。更には、一度に複数枚の半導体ウエハを処理できるバッチ式の成膜装置に限定されず、半導体ウエハを１枚ずつ処理する、いわゆる枚葉式の成膜装置にも本発明を適用することができる。
【００３９】
また更に、ここではシリコンの結晶粒を形成する場合を例にとって説明したが、アモルファス膜が結晶核を中心としてマイグレーションによって結晶粒を形成するような薄膜材料であるならば、全ての成膜材料に本発明を適用することができ、例えば成膜材料としてＳｉＧｅ（シリコンゲルマニウム）を用いる場合にも本発明を適用することができる。
また被処理体としては、半導体ウエハに限定されず、ガラス基板、ＬＣＤ基板等にも本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明方法を実施するための成膜装置を示す構成図である。
【図２】本発明方法の第１実施例の流れを示すタイムチャートである。
【図３】本発明方法で形成される半球状の結晶粒の形成と形状変化を示す模式図である。
【図４】本発明方法の第２実施例の流れを示すタイムチャートである。
【図５】ＨＳＧ結晶粒の形成直後の電子顕微鏡写真である。
【図６】ＨＳＧ結晶粒の酸化及びエッチング後の電子顕微鏡写真である。
【図７】キャパシタの電極表面に半球状の結晶粒を形成する方法の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
２ 層間絶縁膜
４ 下部電極
６ 半球状の結晶粒
２０ 成膜装置
２２ 処理容器
２４ ウエハボート（保持手段）
４２ 加熱手段
４６，４８，５０，５２ ガスノズル
６０ 成膜ガス供給手段
６２ 酸化性ガス供給手段
６４ エッチングガス供給手段
６６ 不活性ガス供給手段
８０ 制御手段
９０ アモルファスのシリコン膜
９２ 結晶核
９４ 結晶粒薄膜
９６ 酸化膜
Ｗ 半導体ウエハ（被処理体）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウエハ等に薄膜を形成する成膜方法、成膜装置及び記憶媒体に係り、特にキャパシタの電極の形成時に用いるのに適する成膜方法、成膜装置及び記憶媒体に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ＩＣ等の半導体集積回路を形成するためには、半導体ウエハやガラス基板等の表面に、成膜処理、エッチング処理、熱拡散処理、酸化処理等を多数回繰り返し行なうことによって所望のトランジスタ素子、抵抗素子、キャパシタ等を高密度に集積形成するようになっている。
近年、特に、半導体装置の高集積化にともなって、各素子自体の微細化も一層進む傾向にある。例えばＤＲＡＭ等の記憶装置にあっては各セルの占有面積は微細化傾向によって益々小さくなるが、十分な容量値を確保するためには、占有面積が小さくなってもキャパシタ電極間の絶縁層の厚さを薄くしたり、もしくはこの誘電体の比誘電率を大きくすればよいが、この絶縁層の厚さを薄くすると絶縁性が劣化し、また、材質を高誘電体とするにも種々の技術的な問題があるのが現状である。
【０００３】
そこで、キャパシタの電極表面に、表面が微細に凹凸形状になされたポリシリコン膜を形成して微細な占有面積でも容量値に寄与する実質的な表面積を２〜３倍に増加させることが行なわれている。この表面凹凸形状のポリシリコン膜を形成するためには、例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３等に開示されているように、シリコン膜の表面に凹凸形状のＨＳＧ（Ｈｅｍｉｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ｇｒａｉｎｅｄ）ポリシリコン膜を形成する方法が知られている。
【０００４】
この点について、図７を参照して具体的に説明する。図７はキャパシタの電極表面に半球状の結晶粒を形成する方法の一例を示す図である。図７（Ａ）に示すように、被処理体としての半導体ウエハＷは例えばシリコン基板よりなり、この半導体ウエハＷの表面に層間絶縁膜２を貫通させてキャパシタの例えば下部電極４が形成されている。この下部電極４は、例えばリンがドープされたポリシリコンよりなり、円筒リング状に成形されて、いわゆるスタックキャパシタを製造できるようになっている。この下部電極４は、図示されないがウエハＷに形成されているソース等に電気的に接続されている。
【０００５】
そして、表面構造が図７（Ａ）に示すようになっている半導体ウエハＷの表面に、モノシラン等のシラン系ガスを作用させることによってシリコンのアモルファス膜を形成すると共に、この表面にシリコン結晶核を形成し、このシリコン結晶核をマイグレーションによって成長させることにより、図７（Ｂ）に示すように、半球状の結晶粒６、いわゆるＨＳＧ（Ｈｅｍｉｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ｇｒａｉｎｅｄ）結晶粒が形成される。このように下部電極４の表面に、上記したような半球状の結晶粒６を高密度で、多数形成させることによって、微少な専有空間であっても表面積が著しく増大し、結果的にキャパシタの容量を大きくすることができる。尚、キャパシタを形成するには、この下部電極４上にキャパシタ絶縁膜を形成し、更に上部電極を形成するが、図７中ではその記載を省略している。
【０００６】
【特許文献１】特開平５−３０４２７３号公報
【特許文献２】特開平７−２２１０３４号公報
【特許文献３】特開２００２−２２２８７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述のようにキャパシタの電極にＨＳＧによる結晶粒６を用いることにより、一定の専有空間に対するキャパシタの容量を従来のキャパシタに対して２〜３倍程度に拡大することができる。
ところで、この時に形成される半球状の結晶粒６の直径Ｄ１は核密度とシリコン膜の堆積量とで決まり、一般的な直径Ｄ１の大きさは５０ｎｍ程度である。この場合、後述のように微細化の要請によるデザインルールのスケールがそれ程厳しくない場合には、特に問題はなかったが、更なる微細化の要請によりデザインルールのスケールがより微細化されてくると、上記結晶粒６の直径Ｄ１が５０ｎｍ程度では、大き過ぎてしまう。例えば更なる微細化の要請により、上記下部電極４のリング状部分の直径Ｈ１を例えば１００ｎｍ程度に設定した場合、或いは結晶粒６の配置密度を高くした場合には、結晶粒６の直径Ｄ１が大き過ぎてしまい、この結果、後工程における容量絶縁膜のステップカバレジ不良や下部電極間同士のショート等が発生し、適正なキャパシタを作成できなくなってしまう、という問題があった。
【０００８】
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、エッチング処理を組み合わせることにより、半球状の結晶粒のサイズを小さく制御することが可能な成膜方法、成膜装置及び記憶媒体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に係る発明は、被処理体の表面に薄膜を形成する成膜方法において、成膜ガスにより前記被処理体の表面に結晶核を形成して該結晶核を成長させることにより半球状の結晶粒が表面に形成された結晶粒薄膜を形成する結晶粒薄膜形成工程と、前記結晶粒薄膜の表面を酸化することにより酸化膜を形成する酸化膜形成工程と、前記酸化膜をエッチングにより除去するエッチング工程と、を有することを特徴とする成膜方法である。
このように、被処理体の表面に形成された半球状の結晶粒の表面を酸化して酸化膜を形成し、この酸化膜をエッチングにより除去することにより、半球状の結晶粒のサイズを小さく制御することができる。従って、半導体回路素子のデザインルールのスケールが更に厳しくなって小さくなっても、例えば容量絶縁膜のステップカバレジを向上させることができるのみならず、下部電極同士のショート等の発生も抑制することができる。
【００１０】
この場合、例えば請求項２に規定するように、前記結晶粒薄膜形成工程、酸化膜形成工程及びエッチング工程は、全て同一の処理容器内で行われる。
或いは例えば請求項３に規定するように、前記結晶粒薄膜形成工程、酸化膜形成工程及びエッチング工程の内、少なくとも２つの工程は、異なる処理容器内で行われる。
また例えば請求項４に規定するように、前記エッチング工程は、フッ化水素（ＨＦ）ガスを用いたドライエッチングを行う。
また例えば請求項５に規定するように、前記エッチング工程は、フッ化水素水（ＤＨＦ）を用いたウェットエッチングを行う。
また例えば請求項６に規定するように、前記結晶粒薄膜には、不純物がドープされている。
【００１１】
また例えば請求項７に規定するように、前記不純物は、前記結晶粒薄膜形成工程と前記酸化膜形成工程との間でドープされる。
また例えば請求項８に規定するように、前記不純物は、前記結晶粒薄膜形成工程の時にドープされる。
また例えば請求項９に規定するように、前記結晶粒薄膜は、薄膜本体がアモルファスのシリコン膜よりなり、結晶粒が多結晶シリコンよりなる。
【００１２】
請求項１０に係る発明は、真空引き可能になされて被処理体を収容することができる処理容器と、前記被処理体を支持する保持手段と、成膜ガスを供給する成膜ガス供給手段と、酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給手段と、エッチングガスを供給するエッチングガス供給手段と、前記被処理体を加熱する加熱手段と、装置全体を制御する制御手段と、を有する成膜装置において、前記制御手段は、前記成膜ガスにより前記被処理体の表面に結晶核を形成して該結晶核を成長させることにより半球状の結晶粒が表面に形成された結晶粒薄膜を形成し、次に、前記結晶粒薄膜の表面を酸化することにより酸化膜を形成し、その後、前記酸化膜をエッチングにより除去するように制御することを特徴とする成膜装置である。
【００１３】
請求項１１に係る発明は、真空引き可能になされて被処理体を収容することができる処理容器と、前記被処理体を支持する保持手段と、成膜ガスを供給する成膜ガス供給手段と、酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給手段と、エッチングガスを供給するエッチングガス供給手段と、前記被処理体を加熱する加熱手段と、装置全体を制御する制御手段と、を有する成膜装置を用いて被処理体の表面に成膜処理を施すに際して、前記成膜ガスにより前記被処理体の表面に結晶核を形成して該結晶核を成長させることにより半球状の結晶粒が表面に形成された結晶粒薄膜を形成し、次に、前記結晶粒薄膜の表面を酸化することにより酸化膜を形成し、その後、前記酸化膜をエッチングにより除去するように前記成膜装置を制御するプログラムを記憶することを特徴とする記憶媒体である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る成膜方法、成膜装置及び記憶媒体によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
被処理体の表面に形成された半球状の結晶粒の表面を酸化して酸化膜を形成し、この酸化膜をエッチングにより除去することにより、半球状の結晶粒のサイズを小さく制御することができる。従って、半導体回路素子のデザインルールのスケールが更に厳しくなって小さくなっても、例えば容量絶縁膜のステップカバレジを向上させることができるのみならず、下部電極同士のショート等の発生も抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、本発明に係る成膜方法、成膜装置及び記憶媒体の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明方法を実施するための成膜装置を示す構成図、図２は本発明方法の第１実施例の流れを示すタイムチャート、図３は本発明方法で形成される半球状の結晶粒の形成と形状変化を示す模式図である。
【００１６】
この成膜装置では、結晶粒薄膜形成工程、酸化膜形成工程及びエッチング工程の全ての工程を連続的に実施できる装置例について説明する。図示するように、この成膜装置２０は下端が開放されて上下方向に所定の長さを有して円筒体状になされた縦型の処理容器２２を有している。この処理容器２２は、例えば耐熱性の高い石英を用いることができる。この処理容器２２の下方より複数枚の被処理体としての半導体ウエハＷを複数段に亘って所定のピッチで載置した保持手段としてのウエハボート２４が昇降可能に挿脱自在になされている。このウエハボート２４は例えば石英よりなり、これには、例えば５０〜１００枚程度の直径が３００ｍｍのウエハＷを略等ピッチで多段に支持できるようになっている。
【００１７】
またウエハボート２４の挿入時には、上記処理容器２２の下端の開口部は、例えば石英やステンレス板よりなる蓋部２６により塞がれて密閉される。この際、処理容器２２の下端部と蓋部２６との間には、気密性を維持するために例えばＯリング等のシール部材２８が介在される。このウエハボート２４は、石英製の保温筒３０を介してテーブル３２上に載置されており、このテーブル３２は、処理容器２２の下端開口部を開閉する蓋部２６を貫通する回転軸３４の上端部に支持される。そして、この回転軸３４の貫通部には、例えば磁性流体シール３６が介設され、この回転軸３４を気密にシールしつつ回転可能に支持している。上記した回転軸３４は、例えばボートエレベータ等の昇降機構３８に支持されたアーム４０の先端に取り付けられており、ウエハボート２４及び蓋部２６等を一体的に昇降できるようになされている。尚、上記テーブル３２を上記蓋部２６側へ固定して設け、ウエハボート２４を回転させることなくウエハＷの処理を行うようにしてもよい。
【００１８】
上記処理容器２２の側部には、これを取り囲むようにしてた例えばカーボンワイヤ製のヒータよりなる加熱手段４２が設けられており、この内側に位置する処理容器２２及びこの中の上記半導体ウエハＷを加熱し得るようになっている。またこの加熱手段４２の外周には、断熱材４４が設けられており、この熱的安定性を確保するようになっている。また上記処理容器２２の下部には、この側壁を気密に貫通させて例えば石英よりなる第１、第２、第３及び第４のガスノズル４６、４８、５０、５２がそれぞれ設けられている。また、上記処理容器２２の天井部には、横方向へＬ字状に屈曲させた排気口５４が設けられる。
【００１９】
そして、上記第１のガスノズル４６に成膜ガスを供給する成膜ガス供給手段６０が接続され、上記第２のガスノズル４８には酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給手段６２が接続される。また上記第３のガスノズル５０にはエッチングガスを供給するエッチングガス供給手段６４が接続され、上記第４のガスノズル５２には不活性ガスとして例えばＮ２ ガスを供給する不活性ガス供給手段６６が接続される。
【００２０】
尚、上記不活性ガスとしてＡｒやＨｅ等を用いてもよい。具体的には、上記成膜ガス供給手段６０、酸化性ガス供給手段６２、エッチングガス供給手段６４及び不活性ガス供給手段６６の各ガス通路６０Ａ、６２Ａ、６４Ａ、６６Ａは、それぞれ上記第１、第２、第３及び第４のガスノズル４６、４８、５０、５２へ接続されると共に、各ガス通路６０Ａ、６２Ａ、６４Ａ、６６Ａには、マスフローコントローラのような流量制御器６０Ｂ、６２Ｂ、６４Ｂ、６６Ｂ及び開閉弁６０Ｃ、６２Ｃ、６４Ｃ、６６Ｃがそれぞれ順次介設されており、必要に応じて上記各ガスを流量制御しつつ供給できるようになっている。ここでは上記成膜ガスとしてＳｉ含有ガス、例えばＳｉＨ４ （モノシラン）が用いられ、酸化性ガスとしてはＯ２ が用いられ、エッチングガスとしてはＳｉＯ２ 膜を選択的に削ることができるＨＦガスが用いられている。
【００２１】
また上記排気口５４には、処理容器２２内を真空引きする真空排気系７０が接続されている。具体的には、上記真空排気系７０のガス通路７０Ａには、開閉弁７０Ｂ、バタフライ弁のような圧力制御弁７０Ｃ及び真空ポンプ７０Ｄがそれぞれ順次介設されている。そして、この装置全体の動作は、例えばマイクロコンピュータ等よりなる制御手段８０により制御される。そして、この制御手段８０は、この装置全体の動作を制御するためのプログラムを記憶するための例えばフロッピディスクやフラッシュメモリ等よりなる記憶媒体９８を有している。
【００２２】
次に、以上のように構成された成膜装置２０を用いて連続的に行なわれる本発明方法の第１実施例について図２及び図３も参照して説明する。上述したように、以下に説明する各実施例の動作は、上記記憶媒体９８に記憶されたプログラムに基づいて行われる。
まず、全体の流れについて説明すると、ウエハＷの表面は、既に前工程で図７（Ａ）に示すような形状になされている。例えばシリコン基板よりなる半導体ウエハＷの表面には、円筒リング状に形成されて、いわゆるスタックキャパシタを製造できるようになっている下部電極４（リンドープアモルファスシリコン）が多数配列されている。
【００２３】
このようなウエハＷがアンロード状態で成膜装置２０が待機状態の時には、処理容器２２はプロセス温度より低い温度に維持されており、常温の多数枚、例えば５０枚のウエハＷが載置された状態のウエハボート２４をホットウォール状態になされた処理容器２２内にその下方より上昇させてロードし、蓋部２６で処理容器２２の下端開口部を閉じることにより処理容器２２内を密閉する。
【００２４】
そして、処理容器２２内を真空引きして所定のプロセス圧力に維持すると共に、加熱手段４２への供給電力を増大させることにより、ウエハ温度を上昇させて成膜処理用のプロセス温度まで昇温して安定させ、その後、図２に示すように、結晶粒薄膜形成工程、酸化膜形成工程及びエッチング工程を順次連続的に実行する。図２では温度及び圧力の変化の状態が示されている。この場合、上記各工程では、必要に応じて次のように各ガスが供給される。すなわち成膜ガス供給手段６０の接続される第１のガスノズル４６からはＳｉＨ４ ガスが供給され、酸化性ガス供給手段６２の接続される第２のガスノズル４８からはＯ２ ガスが供給され、エッチングガス供給手段６４の接続される第３のガスノズル５０からはＨＦガスが供給される。尚、必要に応じて不活性ガス供給手段６６の接続される第４のガスノズル５２からはＮ２ ガスが供給される。
【００２５】
＜結晶粒薄膜形成工程＞
まず結晶粒薄膜形成工程について説明する。
この結晶粒薄膜形成工程は、アモルファスＳｉ形成ステップ、核付けステップ及びＨＳＧ成長ステップの３ステップよりなり、先の２つのステップ、すなわちアモルファスＳｉ形成ステップ及び核付けステップにおいてＳｉＨ４ ガスを用いる。尚、前述のように必要に応じてＮ２ ガスも流す。
【００２６】
すなわち、ウエハＷを所定の温度に維持したならば、ＳｉＨ４ ガスの供給を開示し、ウエハＷの表面にアモルファスのシリコン膜を形成する。これにより、図３（Ａ）に示すように、例えばポリシリコン膜よりなる下部電極４の表面にアモルファスのシリコン膜９０が少しずつ形成されることになる。この時のＳｉＨ４ ガスの流量は、例えば５０〜４０００ｓｃｃｍの範囲内である。またこの時のプロセス温度は、例えば５００〜５５０℃の範囲内、プロセス圧力は０．１Ｔｏｒｒ（１３Ｐａ）〜５Ｔｏｒｒ（６６５Ｐａ）の範囲内である。
【００２７】
このようにして所定の時間に亘ってアモルファスのシリコン膜９０を形成したならば、ＳｉＨ４ ガスの供給は継続して行ってプロセス温度を僅かに上げると共に、プロセス圧力を僅かに下げることによって核付けステップへ移行する。この核付けステップにより、図３（Ｂ）に示すように、アモルファスのシリコン膜９０の上に多数のシリコンの結晶核９２が形成されることになる。この時のプロセス温度は５６０〜６８０℃の範囲内、プロセス圧力は０．００１〜１Ｔｏｒｒの範囲内である。
【００２８】
このようにして所定の時間に亘って核付けステップを行ったならば、次にプロセス温度を維持したまま、ＳｉＨ４ ガスの供給を停止し（Ｎ２ ガスを供給している場合にはＮ２ ガスの供給も停止）、すなわち全てのガスの供給を停止したまま真空引きを継続して行うことで（この状態をバキュームと称す）、ＨＳＧ成長ステップへ移行する。このように、バキュームを行うことにより、処理容器内の圧力が大幅に低下してシリコン原子のマイグレーションが発生し、上記結晶核９２の部分にアモルファスのシリコンが凝集してくる。これにより、図３（Ｃ）に示すように、各結晶核９２を中心として半球状の結晶粒６が大きく成長して全体として結晶粒薄膜９４が形成される。この場合、結晶粒６は多結晶シリコンよりなり、薄膜本体９０は先に説明したようにアモルファスのシリコン膜よりなっている。
【００２９】
そして、この時の結晶粒６の直径Ｄ１は、先に説明したように平均的には５０ｎｍ程度になっており、厳しいデザインルールのもとでは、かなり大き過ぎる値となっている。尚、この結晶粒薄膜形成工程における各プロセス条件は単に一例を示したに過ぎず、これに限定されない。このようにして所定の時間に亘ってＨＳＧ成長ステップを行ったならば、この結晶粒薄膜形成工程を終えて、次に酸化膜形成工程へ移行する。
【００３０】
＜酸化膜形成工程＞
次に酸化膜形成工程について説明する。
上記のように結晶粒薄膜形成工程が終了したならば、ＳｉＨ４ ガスの供給を停止して、バキューム処理を行ったり、真空引きを継続しつつＮ２ ガスの供給と供給の停止とを繰り返すサイクルパージを行ったりして、処理容器２２内の残留ガスを排除する。そして、プロセス温度を８００〜１０００℃程度まで上げて、且つＮ２ ガスを供給するなどしてプロセス圧力も大気圧程度まで上げる。そして、プロセス温度やプロセス圧力が安定したならば、酸化性ガスとしてＯ２ ガスの供給を開始する。これにより、先に形成された結晶粒６の表面や薄膜本体（シリコン膜）９０の表面が酸化されて、図３（Ｄ）に示すように、表面全体に薄い酸化膜（ＳｉＯ２ ）９６を形成する。この時のＯ２ ガスの流量は１００〜１００００ｓｃｃｍの範囲内である。またプロセス時間は、形成すべき酸化膜９６の膜厚にもよるが、例えば１〜１２０分程度の範囲内である。このようにして所定の時間に亘って酸化膜形成工程を行ったならば、次にエッチング工程へ移行する。
【００３１】
＜エッチング工程＞
次にエッチング工程について説明する。
上記のように、酸化膜形成工程が終了したならば、Ｏ２ ガスの供給を停止して、バキューム処理を行ったり、真空引きを継続しつつＮ２ ガスの供給と供給停止とを繰り返すサイクルパージを行ったりして、処理容器２２内の残留ガスを排除する。そして、プロセス温度を５０〜１５０℃程度の範囲内まで低下させると共に、プロセス圧力を１〜５００Ｔｏｒｒ程度まで低下させる。そして、プロセス温度及びプロセス圧力が安定したならば、ここでは酸化膜９６であるＳｉＯ２ を選択的に削ることができるエッチングガスとしてＨＦガスの供給を開始する。これにより、先に形成されたＳｉＯ２ 膜よりなる酸化膜９６が、ドライエッチングにより図３（Ｅ）に示すように全体的に削り取られることになり、結晶粒６の直径Ｄ１が小さくなる。
【００３２】
この時のＨＦガスの流量は、１００〜１００００ｓｃｃｍの範囲内であり、必要に応じてＮ２ ガスも流して希釈化する。このように、ＨＳＧ成長ステップによって形成した半球状の結晶粒６の表面全体を酸化して酸化膜９６を形成し、この酸化膜９６のみを選択的にエッチング処理により削り取ることにより、結晶粒６の直径Ｄ１を大幅に小さくすることができる。従って、半導体回路素子のデザインルールのスケールがより厳しくなって小さくなっても、例えば容量絶縁膜のステップカバレジを向上させることができるのみならず、下部電極同士のショート等の発生も抑制することができる。また、１つの成膜装置２０内で上記各工程の全てを行うことができるので、その分、スループットを向上でき、また設備コストも少なくて済む。
【００３３】
次に、本発明の第２実施例について説明する。
先に説明した第１実施例では、薄膜本体と結晶粒６とによりなる結晶粒薄膜９４（図３（Ｃ）参照）は、ノンドープのシリコンにより形成したが、これに限定されず、この結晶粒薄膜９４に不純物をドープ（注入）するようにしてもよい。図４は、このような本発明方法の第２実施例の流れを示すタイムチャートである。
【００３４】
図４に示すように、ここでは結晶粒薄膜形成工程と酸化膜形成工程との間で不純物を注入するためのドープ工程を行っている。このドープ工程では、不純物として例えばリン（Ｐ）を注入するためにＰＨ３ ガスを用いている。この時のプロセス温度は、例えば６００〜１０００℃の範囲内、プロセス圧力は、例えば１０〜５００Ｔｏｒｒの範囲内であるが、特に、このプロセス条件に限定されないのは勿論である。
またこのドープ工程に代えて、図２に示す第２実施例において、結晶粒薄膜形成工程（ＨＳＧ成長ステップは除く）の時に、ＳｉＨ４ ガスと共にＰＨ３ ガスを同時に供給するようにしてリンをドープさせるようにしてもよい。
【００３５】
また上記各実施例においては、１つの成膜装置２０内において、各工程を全て行うようにしたが、これに限定されず、各工程をそれぞれ異なる処理装置で行うようにしてもよいし、または結晶粒薄膜形成工程の他に、酸化膜形成工程とエッチング工程の内のいずれか一方を、この成膜装置２０で行うようにしてもよい。
また上記エッチング工程ではドライエッチング処理を行ったが、これに限定されず、ウェットエッチング処理を行うようにしてもよい。この場合には、例えばエッチング液としては、フッ化水素水（ＤＨＦ）を用いることができる。
【００３６】
ここで実際に、本発明方法を用いてシリコン膜の結晶粒を形成したので、その時の評価結果について説明する。ここでは、エッチング工程として、フッ化水素水（ＤＨＦ）を用いたウェットエッチング処理を行うことにより酸化膜を削り取った。図５はＨＳＧ結晶粒の形成直後の電子顕微鏡写真を示し、図６はＨＳＧ結晶粒の酸化及びエッチング後の電子顕微鏡写真を示す。図５及び図６に示す写真から明らかなように、図６に示す酸化及びエッチング後の結晶粒の大きさは明らかに小さくなっている。測定の結果、図５に示すＨＳＧ結晶粒の形成直後の場合には、結晶粒の大きさの平均は５０ｎｍ程度であったが、図６に示す本発明方法のエッチング処理を行った後の場合には、結晶粒の大きさの平均は３０ｎｍ程度であり、結晶粒の大きさを大幅に小さくできることが確認できた。
【００３７】
尚、ここではＳｉ含有ガスとしてＳｉＨ４ ガスを用いたが、これに限定されず、ジクロロシラン（ＤＣＳ）、モノシラン［ＳｉＨ４ ］、ジシラン［Ｓｉ２ Ｈ６ ］、ヘキサクロロジシラン［Ｓｉ２ Ｃｌ６ ］（ＨＣＤ）、ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）、テトラクロロシラン［ＳｉＨＣｌ３ ］（ＴＣＳ）、ジシリルアミン（ＤＳＡ）、トリシリルアミン（ＴＳＡ）、ビスターシャルブチルアミノシラン（ＢＴＢＡＳ）、［（ＣＨ３ ）３ ＳｉＨ］（Ｔｒｉｍｅｔｈｙｌ ｓｉｌａｎｅ）、［（ＣＨ３ ）３ ＳｉＮ３ ］（Ｔｒｉｍｅｔｈｙｌ ｓｉｌｙｌａｚｉｄｅ）、［ＳｉＦ４ ］、［ＳｉＣｌ３ Ｆ］、［ＳｉＩ４ ］、［Ｓｉ２ Ｆ６ ］よりなる群より選択される１以上のガスを用いることができる。
【００３８】
また、ここでは酸化性ガスとしてＯ２ ガスを用いたが、これに限定されず、Ｎ２ Ｏ、Ｈ２ Ｏ、Ｏ２ 、Ｏ３ 、Ｏ＊（活性種）、ＮＯ、ＮＯ２ 、ＣＯ２ 、ＣＯよりなる群から選択される１以上のガスを用いることができる。
また、酸化膜をエッチングするためにＨＦガス、或いはフッ化水素水を用いたが、ＳｉＯ２ 膜を選択的にエッチングできるのであれば、上記ＨＦガス、或いはフッ化水素水に限定されない。
また、バッチ式の処理容器に関しては、図１に示した単管構造に限定されず、いわゆる内筒と外筒とよりなる２重管構造の処理容器を有する成膜装置でも本発明を適用し得る。更には、一度に複数枚の半導体ウエハを処理できるバッチ式の成膜装置に限定されず、半導体ウエハを１枚ずつ処理する、いわゆる枚葉式の成膜装置にも本発明を適用することができる。
【００３９】
また更に、ここではシリコンの結晶粒を形成する場合を例にとって説明したが、アモルファス膜が結晶核を中心としてマイグレーションによって結晶粒を形成するような薄膜材料であるならば、全ての成膜材料に本発明を適用することができ、例えば成膜材料としてＳｉＧｅ（シリコンゲルマニウム）を用いる場合にも本発明を適用することができる。
また被処理体としては、半導体ウエハに限定されず、ガラス基板、ＬＣＤ基板等にも本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明方法を実施するための成膜装置を示す構成図である。
【図２】本発明方法の第１実施例の流れを示すタイムチャートである。
【図３】本発明方法で形成される半球状の結晶粒の形成と形状変化を示す模式図である。
【図４】本発明方法の第２実施例の流れを示すタイムチャートである。
【図５】ＨＳＧ結晶粒の形成直後の電子顕微鏡写真である。
【図６】ＨＳＧ結晶粒の酸化及びエッチング後の電子顕微鏡写真である。
【図７】キャパシタの電極表面に半球状の結晶粒を形成する方法の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
２ 層間絶縁膜
４ 下部電極
６ 半球状の結晶粒
２０ 成膜装置
２２ 処理容器
２４ ウエハボート（保持手段）
４２ 加熱手段
４６，４８，５０，５２ ガスノズル
６０ 成膜ガス供給手段
６２ 酸化性ガス供給手段
６４ エッチングガス供給手段
６６ 不活性ガス供給手段
８０ 制御手段
９０ アモルファスのシリコン膜
９２ 結晶核
９４ 結晶粒薄膜
９６ 酸化膜
Ｗ 半導体ウエハ（被処理体）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理体の表面に薄膜を形成する成膜方法において、
成膜ガスにより前記被処理体の表面に結晶核を形成して該結晶核を成長させることにより半球状の結晶粒が表面に形成された結晶粒薄膜を形成する結晶粒薄膜形成工程と、
前記結晶粒薄膜の表面を酸化することにより酸化膜を形成する酸化膜形成工程と、
前記酸化膜をエッチングにより除去するエッチング工程と、
を有することを特徴とする成膜方法。
【請求項２】
前記結晶粒薄膜形成工程、酸化膜形成工程及びエッチング工程は、全て同一の処理容器内で行われることを特徴とする請求項１記載の成膜方法。
【請求項３】
前記結晶粒薄膜形成工程、酸化膜形成工程及びエッチング工程の内、少なくとも２つの工程は、異なる処理容器内で行われることを特徴とする請求項１記載の成膜方法。
【請求項４】
前記エッチング工程は、フッ化水素（ＨＦ）ガスを用いたドライエッチングを行うことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の成膜方法。
【請求項５】
前記エッチング工程は、フッ化水素水（ＤＨＦ）を用いたウェットエッチングを行うことを特徴とする請求項１記載の成膜方法。
【請求項６】
前記結晶粒薄膜には、不純物がドープされていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の成膜方法。
【請求項７】
前記不純物は、前記結晶粒薄膜形成工程と前記酸化膜形成工程との間でドープされることを特徴とする請求項６記載の成膜方法。
【請求項８】
前記不純物は、前記結晶粒薄膜形成工程の時にドープされることを特徴とする請求項６記載の成膜方法。
【請求項９】
前記結晶粒薄膜は、薄膜本体がアモルファスのシリコン膜よりなり、結晶粒が多結晶シリコンよりなることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の成膜方法。
【請求項１０】
真空引き可能になされて被処理体を収容することができる処理容器と、
前記被処理体を支持する保持手段と、
成膜ガスを供給する成膜ガス供給手段と、
酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給手段と、
エッチングガスを供給するエッチングガス供給手段と、
前記被処理体を加熱する加熱手段と、
装置全体を制御する制御手段と、
を有する成膜装置において、
前記制御手段は、前記成膜ガスにより前記被処理体の表面に結晶核を形成して該結晶核を成長させることにより半球状の結晶粒が表面に形成された結晶粒薄膜を形成し、次に、前記結晶粒薄膜の表面を酸化することにより酸化膜を形成し、その後、前記酸化膜をエッチングにより除去するように制御することを特徴とする成膜装置。
【請求項１１】
真空引き可能になされて被処理体を収容することができる処理容器と、
前記被処理体を支持する保持手段と、
成膜ガスを供給する成膜ガス供給手段と、
酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給手段と、
エッチングガスを供給するエッチングガス供給手段と、
前記被処理体を加熱する加熱手段と、
装置全体を制御する制御手段と、
を有する成膜装置を用いて被処理体の表面に成膜処理を施すに際して、
前記成膜ガスにより前記被処理体の表面に結晶核を形成して該結晶核を成長させることにより半球状の結晶粒が表面に形成された結晶粒薄膜を形成し、次に、前記結晶粒薄膜の表面を酸化することにより酸化膜を形成し、その後、前記酸化膜をエッチングにより除去するように前記成膜装置を制御するプログラムを記憶することを特徴とする記憶媒体。
【請求項１】
被処理体の表面に薄膜を形成する成膜方法において、
成膜ガスにより前記被処理体の表面に結晶核を形成して該結晶核を成長させることにより半球状の結晶粒が表面に形成された結晶粒薄膜を形成する結晶粒薄膜形成工程と、
前記結晶粒薄膜の表面を酸化することにより酸化膜を形成する酸化膜形成工程と、
前記酸化膜をエッチングにより除去するエッチング工程と、
を有することを特徴とする成膜方法。
【請求項２】
前記結晶粒薄膜形成工程、酸化膜形成工程及びエッチング工程は、全て同一の処理容器内で行われることを特徴とする請求項１記載の成膜方法。
【請求項３】
前記結晶粒薄膜形成工程、酸化膜形成工程及びエッチング工程の内、少なくとも２つの工程は、異なる処理容器内で行われることを特徴とする請求項１記載の成膜方法。
【請求項４】
前記エッチング工程は、フッ化水素（ＨＦ）ガスを用いたドライエッチングを行うことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の成膜方法。
【請求項５】
前記エッチング工程は、フッ化水素水（ＤＨＦ）を用いたウェットエッチングを行うことを特徴とする請求項１記載の成膜方法。
【請求項６】
前記結晶粒薄膜には、不純物がドープされていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の成膜方法。
【請求項７】
前記不純物は、前記結晶粒薄膜形成工程と前記酸化膜形成工程との間でドープされることを特徴とする請求項６記載の成膜方法。
【請求項８】
前記不純物は、前記結晶粒薄膜形成工程の時にドープされることを特徴とする請求項６記載の成膜方法。
【請求項９】
前記結晶粒薄膜は、薄膜本体がアモルファスのシリコン膜よりなり、結晶粒が多結晶シリコンよりなることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の成膜方法。
【請求項１０】
真空引き可能になされて被処理体を収容することができる処理容器と、
前記被処理体を支持する保持手段と、
成膜ガスを供給する成膜ガス供給手段と、
酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給手段と、
エッチングガスを供給するエッチングガス供給手段と、
前記被処理体を加熱する加熱手段と、
装置全体を制御する制御手段と、
を有する成膜装置において、
前記制御手段は、前記成膜ガスにより前記被処理体の表面に結晶核を形成して該結晶核を成長させることにより半球状の結晶粒が表面に形成された結晶粒薄膜を形成し、次に、前記結晶粒薄膜の表面を酸化することにより酸化膜を形成し、その後、前記酸化膜をエッチングにより除去するように制御することを特徴とする成膜装置。
【請求項１１】
真空引き可能になされて被処理体を収容することができる処理容器と、
前記被処理体を支持する保持手段と、
成膜ガスを供給する成膜ガス供給手段と、
酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給手段と、
エッチングガスを供給するエッチングガス供給手段と、
前記被処理体を加熱する加熱手段と、
装置全体を制御する制御手段と、
を有する成膜装置を用いて被処理体の表面に成膜処理を施すに際して、
前記成膜ガスにより前記被処理体の表面に結晶核を形成して該結晶核を成長させることにより半球状の結晶粒が表面に形成された結晶粒薄膜を形成し、次に、前記結晶粒薄膜の表面を酸化することにより酸化膜を形成し、その後、前記酸化膜をエッチングにより除去するように前記成膜装置を制御するプログラムを記憶することを特徴とする記憶媒体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００６−７３９９７（Ｐ２００６−７３９９７Ａ）
【公開日】平成１８年３月１６日（２００６．３．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１７３０３５（Ｐ２００５−１７３０３５）
【出願日】平成１７年６月１３日（２００５．６．１３）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年３月１６日（２００６．３．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年６月１３日（２００５．６．１３）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
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